УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЙ Российский патент 2010 года по МПК G01P15/13 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве элемента в системах стабилизации и навигации. Оно может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа.

Известно устройство для измерения ускорений (А.С. №1795374 А1, кл. G01P 15/13, 15/08, 1993 г.), содержащее чувствительный элемент, датчик положения, усилитель, магнитоэлектрический силовой преобразователь, компенсационная катушка которого подключена к выходу усилителя, причем к компенсационной катушке подключена цепь из последовательно соединенных первого и второго резисторов, а первый резистор зашунтирован конденсатором.

Недостатком такого компенсационного акселерометра является динамическая погрешность, обусловленная включением параллельно одному из резисторов конденсатора, что равносильно введению в акселерометр апериодического звена.

Наиболее близким по техническому решению является устройство для измерения ускорений (патент РФ №2165625, МПК⁶ G01P 15/13, бюл. №11, 20.04.2001), содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента, местную положительную обратную связь, введенную с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор положительной обратной связи и преобразователь напряжение - ток, местную отрицательную обратную связь, введенную с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи, фильтр верхних частот, преобразователь напряжение - ток, отрицательную интегрирующую обратную связь, введенную с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход датчика момента, и содержащая последовательно соединенные интегрирующий усилитель, компаратор, ждущий синхронный генератор, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схему собирания (ИЛИ), двоичный умножитель, сглаживающий фильтр, знаковый переключатель и схему синхронизации, выходы которой являются входами для компаратора и ждущих синхронных генераторов, второй выход компаратора соединен со вторым входом реверсивного двоичного счетчика через ждущий синхронный генератор, при этом второй выход реверсивного двоичного счетчика соединен со вторым входом знакового переключателя и вторым входом схемы собирания. Кроме того, устройство содержит генератор опорного напряжения, выходы которого являются входами для датчика угла, фазового детектора положительной и отрицательной обратных связей.

Недостатком подобного устройства для измерения ускорений является низкая точность измерения, обусловленная точностью работы интегрирующего аналогового усилителя, порогового элемента (компаратора) и ограниченность коэффициента усиления по разомкнутому контуру, обусловленная введением, в местную жесткую отрицательную обратную связь, звена с передаточной функцией W(s)=К₁. Кроме того, жесткая отрицательная обратная связь ограничивает расширение полосы пропускания устройства для измерения ускорений.

Задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания устройства для измерения ускорений и повышение точности измерения.

Это достигается за счет того, что в устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, датчик момента, интегрирующий усилитель, два преобразователя напряжение - ток, фазовый детектор положительной обратной связи, фазовый детектор отрицательной обратной связи, отрицательную интегрирующую обратную связь, включающую последовательно соединенные компаратор, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схему собирания ИЛИ, двоичный умножитель, сглаживающий фильтр и знаковый переключатель, а также генератор опорного напряжения и схему синхронизации, выходы которой соединены как с входом компаратора, так и с входами пары ждущих синхронных генераторов, другие выходы реверсивного двоичного счетчика соединены с входами схемы собирания ИЛИ и знакового переключателя, при этом выход датчика угла соединен через усилитель с входами фазовых детекторов положительной и отрицательной обратной связи, другие входы которых, а также один из входов датчика угла соединены с выходами генератора опорного напряжения, один из выходов фазового детектора отрицательной обратной связи соединен с входом интегрирующего усилителя, введено в положительную обратную связь апериодическое звено с выхода фазового детектора положительной обратной связи на вход первого преобразователя напряжение - ток, а в отрицательную обратную связь введен широкополосный фильтр второго порядка с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход второго преобразователя напряжение-ток, а также выходы первого, второго преобразователя напряжение - ток и знакового переключателя соединены с входами датчика момента и выход с двоичного умножителя является выходом цифрового кода устройства.

Введение в устройство апериодического звена (звено запаздывания), в положительную обратную связь, и широкополосного фильтра второго порядка, в местную отрицательную обратную связь, позволяет обеспечить устойчивость устройства и расширение полосы пропускания, а охватывающая все устройство отрицательная интегрирующая обратная связь повышает точность за счет астатизма первого порядка. Кроме того, введение в устройство интегрирующей отрицательной обратной связи, содержащей интегрирующий усилитель, компаратор, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схемы собирания, сглаживающего фильтра и знакового переключателя позволяет реализовать автоколебательный режим, частота автоколебаний будет зависеть как от параметров компаратора, так и от коэффициента усиления по разомкнутому контуру. Формирование автоколебательного режима позволяет существенно повысить точность измерения и расширить полосу пропускания

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства для измерения ускорений; на фиг.2 - схема моделирования предлагаемого технического решения; на фиг.3,4 - дискретные выходные сигналы, в устройстве для измерения ускорений, при различных значениях коэффициента передачи при K=1000 и K=1 соответственно.

Предлагаемое устройство содержит чувствительный элемент 1, датчик угла 2, выход датчика угла 2 соединен с усилителем 3. Один выход усилителя 3 соединен с входом фазового детектора отрицательной обратной связи 4 (ФДООС), а другой выход с входом фазового детектора положительной обратной связи 5 (ФДПОС). Дополнительные входы датчика угла 2, ФДООС 4, ФДПОС 5 соединены с выходом с генератора опорного напряжения 6 (ГОН). Выход ФДПОС 5 соединен с входом апериодического звена 7, с передаточной функцией

выход которого соединен с входом первого преобразователя напряжения - ток 8, а выход ФДООС 4 соединен с входом широкополосного фильтра второго порядка 9, с передаточной функцией

ζ₂>ζ₁, выход которого соединен с входом второго преобразователя напряжение - ток 10. Выход ФДООС 4 соединен также с входом интегрирующего усилителя 11, выход которого соединен с входом компаратора 12. Один выход компаратора 12 соединен с входом ждущего синхронного генератора 13, а другой выход компаратора 12 соединен с входом ждущего синхронного генератора 14. Выходы ждущих синхронных генераторов 13 и 14 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 15, один выход которого соединен с входом преобразователя дополнительного кода в прямой 16, а другой выход реверсивного двоичного счетчика 15 соединен с одним из входов схемы собирания (ИЛИ) 17. Выход схемы собирания 17 соединен с входом двоичного умножителя 18. Выход двоичного умножителя 18, через сглаживающий фильтр 19, соединен с входом знакового переключателя 20, второй вход которого соединен с одним из выходов реверсивного двоичного счетчика 15. Выходы схемы синхронизации 21 соединены с дополнительными входами для компаратора 12, и ждущих синхронных генераторов 13 и 14. Выходы с преобразователей напряжение - ток 8, 10 и знакового переключателя 20 соединены с входами датчика момента 22.

Внутреннее содержание ФДООС, ФДПОС, компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, преобразователя дополнительного кода в прямой, схемы собирания (ИЛИ), двоичного умножителя, интегрирующего усилителя, знакового переключателя, фильтров, а также схемы синхронизации описаны в книге: П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т.1-3, 1993.

Устройство для измерения ускорений работает следующим образом.

При действии ускорения W на чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, действует инерционный момент, равный mlW (l, m - длина и масса маятника). Под действием этого момента происходит отклонение чувствительного элемента 1, которое фиксируется датчиком угла 2, обмотки возбуждения которого соединены с выходом ГОН 6. Сигнал с датчика угла 2, после усиления усилителем 3, поступает на входы ФДООС 4 и ФДПОС 5. С помощью ФДООС 4, ФДПОС 5 и ГОН 6 выделяется фаза отклонения чувствительного элемента 1. На выходе ФДООС 4 сигнал всегда будет в противофазе отклонения чувствительного элемента 1, а на выходе ФДПОС 5 - в фазе отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал с выхода ФДПОС 5, в виде напряжения, поступает на вход апериодического звена 7, а затем на вход первого преобразователя напряжение - ток 8, выходной сигнал которого в виде тока поступает на токовую обмотку датчика момента 22. На вход датчика момента 22 также поступает сигнал из цепи местной отрицательной обратной связи с выхода ФДООС 4, через широкополосный фильтр второго порядка 9, на вход второго преобразователя напряжение - ток 10. Фильтр 9, включенный в местную отрицательную обратную связь, предназначен не только для устранения компенсирующего действия положительной обратной связи отрицательной, но и позволяет существенно увеличить коэффициент передачи по разомкнутому контуру и осуществляет стабилизацию устройства для измерения ускорений (Схема реализации широкополосного фильтра приведена в книге Г.Лэм. Аналоговые и цифровые фильтры. Расчет и проектирование. M.: Мир, 1982, с.127-195). Сигнал в виде напряжения с ФДООС 4 поступает на вход интегрирующего усилителя 11. Напряжение с выхода интегрирующего усилителя 11 поступает на один из входов компаратора 12. В компараторе 12 происходит сравнение сигнала с выхода усилителя 11 с сигналом выделенного из стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода схемы синхронизации 21. Если сигнал с выхода интегрирующего усилителя 11 будет больше треугольного напряжения с выхода 21, то на выходе компаратора 12 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 12 - низкий логический уровень. Уровень сигнала с выхода 12 зависит от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Сигналы с компаратора 12, в виде уровня, поступают на входы ждущих синхронных генераторов 13 и 14, которые с помощью схемы синхронизации 21 выдают сигналы в виде импульса на частоте 10 МГц, на каждое воздействие входящего сигнала (с выхода 12), равного "1". Реверсивный двоичный счетчик 15 производит подсчет единичных импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 13, и вычитание импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 14. Реверсивный двоичный счетчик 15 положительную информацию представляет в прямом коде, а отрицательную - в дополнительном коде и преобразование дополнительного кода в прямой осуществляется преобразователем дополнительного кода в прямой 16. На вход схемы собирания 17 (ИЛИ) поступают сигналы с реверсивного двоичного счетчика 15, если отклонение чувствительного элемента 1 в фазе ГОН 6, и с преобразователя дополнительного кода в прямой 16, если фаза отклонения чувствительного элемента 1 равна 180°. После логического сложения сигналов в 17 выходной сигнал с 17 подается на вход двоичного умножителя 18, на выходе которого будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы собирания 17. Двоичный умножитель 18 преобразует двоичный код в единичный. Сглаживающий фильтр 19, на вход которого поступают импульсы с двоичного умножителя 18, не только устраняет пульсацию входного сигнала с 18, но и обеспечивает устойчивую работу устройства, охваченного обратными связями разных знаков. На токовую обмотку датчика момента 22 поступает сигнал со знакового переключателя 20 со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 15. На токовую обмотку 22 будут поступать сигналы с выходов 8, 10 и 20, и развиваемый момент датчиком момента 22 будет устранять угловое отклонение чувствительного элемента, вызванного действием ускорения. Введение в устройство для измерения ускорений обратных связей обеспечивает повышение точности и расширение полосы пропускания. Выход двоичного умножителя 18 является выходом цифрового кода устройства для измерения ускорений.

Выбор значений коэффициента передачи по разомкнутому контуру и частоты среза можно определить по методике, приведенной в патенте РФ №2165625, МПК⁶ G01P 15/13, бюл. №11, 20.04.2001 г.

Техническую эффективность предлагаемого устройства можно оценить путем моделирования (фиг.2). Результаты моделирования, при коэффициентах передачи по разомкнутому контуру К=1000 и К=1, приведены на фиг.3 и фиг.4. Из анализа результатов следует, что частота дискретного выходного сигнала, определяющая полосу пропускания, зависит от коэффициента передачи по разомкнутому контуру. Введение в местную положительную обратную связь звена запаздывания с передаточной функцией

а в местную отрицательную обратную связь широкополосного фильтра второго порядка с передаточной функцией

ζ₂>ζ₁ позволяет существенно повысить коэффициент передачи по разомкнутому контуру (без потери устойчивости), повысить точность и расширить полосу пропускания устройства за счет реализации автоколебательного режима (частоту автоколебаний можно изменять либо путем изменения ширины зоны неоднозначности компаратора, либо путем увеличения коэффициента передачи по разомкнутому контуру). Кроме того, ведение в устройство для измерения ускорений отрицательной интегрирующей обратной связи позволяет реализовать астатизм по отклонению и получить дискретный код, пропорциональный входному сигналу.

Изобретение предназначено для применения в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации и навигации. Устройство для измерения ускорений содержит местную положительную обратную связь, в которую введено апериодическое звено, местную отрицательную обратную связь, в которую введен широкополосный фильтр второго порядка, и отрицательную интегрирующую обратную связь. Это позволило обеспечить устойчивость устройства и расширить полосу пропускания, а охватывающая все устройство отрицательная интегрирующая обратная связь повышает точность за счет астатизма первого порядка, а также за счет формирования в обратной цепи импульсной связи. 4 ил.

Устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, датчик момента, интегрирующий усилитель, два преобразователя напряжение - ток, фазовый детектор положительной обратной связи, фазовый детектор отрицательной обратной связи, отрицательную интегрирующую обратную связь, включающую последовательно соединенные компаратор, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схему собирания ИЛИ, двоичный умножитель, сглаживающий фильтр и знаковый переключатель, а также генератор опорного напряжения и схему синхронизации, выходы которой соединены как с входом компаратора, так и с входом пары ждущих синхронных генераторов, другие выходы реверсивного двоичного счетчика соединены с входами схемы собирания ИЛИ и знакового переключателя, при этом выход датчика угла соединен через усилитель с входами фазовых детекторов положительной и отрицательной обратной связи, другие входы которых, а также один из входов датчика угла, соединены с выходами генератора опорного напряжения, один из выходов фазового детектора отрицательной обратной связи соединен с входом интегрирующего усилителя, отличающееся тем, что в положительную обратную связь введено апериодическое звено с выхода фазового детектора положительной обратной связи на вход первого преобразователя напряжение - ток, а в отрицательную обратную связь введен широкополосный фильтр второго порядка с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход второго преобразователя напряжение - ток, а также выходы первого, второго преобразователя напряжение - ток и знакового переключателя соединены с входами датчика момента и выход с двоичного умножителя является выходом цифрового кода устройства.